По следам Хрома

ПО СЛЕДАМ ХРОМА

Этот урок для учащихся старших классов (2 ч) основан на идее Мэри Херрманн. преподавателя химии из штата Огайо (США). В ходе занятия учащиеся знакомятся с визу­альным колориметрическим методом коли­чественного анализа и используют его для обнаружения соединений шестивалентного хрома в растворах с малой концентрацией. Урок впервые проведён на занятиях меж­региональной зимней школы «Учитель года» в Екатеринбурге в январе 2009 г.

Основная цель урока: повышение учебной мотивации учащихся к изучению химии.

Обучающие цели: создать условия для усво­ения учащимися представлений о свойствах соединений хрома в различных степенях окисления, применении хрома в производ­ственных целях, методах нейтрализации ток­сичных отходов, методике проведения визу­ального колориметрического анализа; развивать умения применять знания в сложных ситуациях, на практике, вести дискуссию и аргументировать своё мнение; совершенство­вать навыки исследовательской и проектной деятельности, работы с лабораторным обо­рудованием, групповой работы.

Оборудование и реактивы. На демонстра­ционном столе: стаканы на 25 мл (4 шт.), палочка стеклянная, спиртовка, спички, кера­мическая подставка, пробирки демонстраци­онные; образцы соединений хрома в твёрдом состоянии (Сг2;О3;. К2СгО4, К2Сг2О7, СгС13, (NН4)2Сг2О7), сульфит натрия (твёрдый), раст­вор серной кислоты (1:5), стандартный раствор дихромата калия (концентрация хрома 1 мг/л), раствор дихромата калия с концентрацией в 10 раз меньше, раствор дифенилкарбазида в ацетоне.

На столах учащихся: оборудование для лабораторных опытов 1, 2, 3.

Ход урока

Этап1

Актуализация знаний. Формирование рабочих групп для коллективной работы

Учитель проводит эвристическую беседу с классом, основные цели которой — актуа­лизация имеющихся знаний по теме «Строе­ние атома и Периодическая система хими­ческих элементов », а также определение уровня подготовленности уча­щихся. В ходе беседы демонстрирует слайд с фрагментом Периодической системы, где в одной из клеток намеренно стёрты знак и название химического элемента, оставлен только порядковый номер — 24. Учитель предлагает учащимся, не смущаясь отсут­ствием названия элемента, извлечь из Пе­риодической системы максимум информа­ции о нём.

Учащиеся, используя известные им зако­номерности, определяют состав и строение атома элемента № 24, прогнозируют возмож­ные свойства образованных им веществ. Учи­тель обращает внимание школьников на тот факт, что название элемента совершенно не­существенно для получения информации о нём из Периодической системы.

После этого кто-то из учеников произно­сит наконец название элемента, о котором идёт речь, — хром. Учитель предлагает запи­сать в рабочие листы название урока — «По следам хрома».

Учитель демонстрирует ряд соединений хрома: оксид хрома(Ш). хромат калия, ди­хромат калия, хлорид хрома (III). дихромат аммония (степень окисления хрома в них сознательно не называет), обращает внима­ние учащихся на разнообразие их окраски и сообщает, что название этого элемента в переводе с греческого означает «цвет», «окра­шенный».

Учитель предлагает учащимся рассчитать степени окисления хрома в демонстрируемых соединениях, при необходимости напоминая способы определения степеней окисления. Полученные значения школьники записыва­ют в рабочие листы.

Учитель подводит итоги первой части уро­ка и предлагает учащимся разделиться на группы по четыре человека. Группы отлича­ются по уровню подготовленности, выявлен­ной в ходе эвристической беседы (низкий уровень, продвинутый, высокий).

Этап 2

Углубление представлений

об окислительно-восстановительных

свойствах хрома

Учитель. Для хрома типичны три степени окисления: +2, +3 и +6. Сегодня речь пойдёт о соединениях хрома в степенях окисления +3 и +6. Сгруппируем образцы соединений хрома на демонстрационном столе: в одну группу включим образцы соединений трёх­валентного хрома, а в другую — шестивалент­ного, которые называются хроматами и дихроматами.

? Какая разница в свойствах прослежи­вается между соединениями хрома в этих двух группах? (Учащиеся отмечают разницу7 в цвете: соединения трёхвалентного хрома имеют зелёную окраску, а шестивалентного - жёлто-оранжевую. Они указывают в соответ­ствующих колонках рабочих листов формулы соединений хрома и характерную для них окраску.)

Учитель. Ещё одна особенность: соедине­ния шестивалентного хрома обладают до­вольно высокой токсичностью. Соединения трёхвалентного хрома менее токсичны.

Учащиеся записывают эту информацию в рабочие листы.

Хром может переходить из одной степени окисления в другую. Для этого атом трёхва­лентного хрома должен отдать ещё электроны (сколько?), т. е. окислиться. Атом шестива­лентного хрома, наоборот, должен вернуть часть потерянных электронов, т. е. восстано­виться.

Демонстрация восстановления дихрома­та калия сульфитом натрия в кислотной среде.

Проводя демонстрационный опыт, учи­тель обращает внимание учащихся на из­менение окраски раствора при переходе хро­ма из степени окисления +6 в степень окис­ления +3.

Учитель. Похожую смену окраски можно наблюдать при разложении дихромата аммо­ния. Здесь восстановителем является азот, имеющий степень окисления -3, т. е. обла­дающий избытком электронов.

Демонстрация разложения дихромата аммония («Вулкан»),

Этап З

Создание игровой ситуации

Внезапно на экране появляется слайд с надписью «Alarm! Опасность!».

Учитель. Внимание! Что-то случилось...

Появляется текст, написанный в теле­графной манере: «Сообщает санитарно-эпидемиологическая станция города NN: в бассейне реки NNN обнаружено повышенное содержание шестивалентного хрома. Пред­положительно это дихромат калия. Просим всех, кто может, принять участие в опреде­лении источника загрязнения».

Кажется, нам сегодня придётся поучаство­вать в расследовании. Тем более что я знаю метод обнаружения хрома даже в очень ма­лых количествах.

Этап 4

Обучение основам методики

колориметрического анализа

Учитель. Шестивалентный хром в форме хроматов и дихроматов обнаруживают осо­бым реактивом. Это органическое соедине­ние — дифенилкарбазид, или, более точно, — 1,5 - дифенилкарбогидразид.

Слайд с формулой дифенилкарбазида: (C6H5NHNH)2CO.

В присутствии шестивалентного хрома в кислотной среде дифенилкарбазид при­обретает красно-малиновую окраску. Причём чем больше концентрация хрома, тем ярче цвет.

Демонстрация окрашивания дифенилкар­базида в растворе дихромата калия концен­трацией 1 мг/л и разведённого в десять раз. В две пробирки с растворами дихромата ка­лия разной концентрации учитель добавляет серную кислоту, чтобы создать кислотную среду, и капает пипеткой несколько капель реактива — раствора дифенилкарбазида в ацетоне. Интенсивность окраски разная.

Приготовление растворов

На уроке используются два раствора ди­хромата калия: так называемый маточный раствор концентрацией 100 мг/л (0,1 г/л) и стандартный раствор концентрацией 1 мг/л (0,001 г/л). Для приготовления первого раст­вора 0,3 г дихромата калия (содержат при­мерно 0,1 г шестивалентного хрома) учитель растворяет в 1 л воды. Берёт 100 мл получен­ного раствора (0,01 г хрома) и разбавляет водой до 1 л. Получает раствор концентраци­ей 0,01 г/л (10 мг/л).

От полученного раствора берёт 100 мл (0,001 г хрома), добавляет 10 мл концентри­рованной серной кислоты и разбавляет водой до 1 л. Получает стандартный раствор концен­трацией 0.001 г/л (1 мг/л).

Концентрация раствора дифенилкарбази­да в ацетоне не имеет решающего значения для выполнения предусмотренных лаборатор­ных опытов. Этот раствор учитель готовит рас­творением нескольких миллиграммов дифе­нилкарбазида в 20-30 мл ацетона. Полученный раствор нужно хранить в плотно закрываю­щейся ёмкости.

Учитель. Таким способом можно получить информацию о приблизительном значении концентрации хрома в растворе. У вас на сто­лах стоит раствор, в котором концентрация шестивалентного хрома равна 1 мг/л. Это зна­чит, что в 1 л этого раствора содержится 1 мг хрома +6.

? Рассчитайте массу хрома в 1 мл раст­вора. (0.001 мг.)

? Определите массу хрома в 5 мл раствора, в 6 мл. (Учащиеся осознают взаимосвязь меж­ду объёмом раствора и содержанием в нём хрома.)

Далее учащиеся работают в группах по два человека, выполняют лабораторный опыт 1 по инструкции. Задача каждой группы — разба­вить исходный раствор в определённое чисто раз (в итоге получают шесть разных раство­ров), рассчитать концентрацию хрома в нём и добавить в полученный раствор одинаковое количество реагента — дифенилкарбазида.

Лабораторный опыт 1

Приготовление эталонного раствора № 1 (2, 3, 4, 5)

Оборудование и реактивы: измерительная мензурка, стакан на 25 мл, пробирка с проб­кой, пипетка, стеклянная палочка, стандарт­ный раствор Сг"6. раствор дифенилкарбазида в ацетоне, раствор серной кислоты (1 : 5).

Вам выдан стандартный раствор, имеющий концентрацию Сг+61 мг/л. Это значит, что 1 мл этого раствора содержит 0,001 мг хрома.

1.  Отмерьте измерительной мензуркой ровно 2 мл стандартного раствора (для рас­творов № 2, 3,4, 5 — соответственно 4, 8,12, 16 мл).

2.  Перелейте раствор в стакан, добавьте 4 мл раствора серной кислоты и 14 мл воды (для растворов № 2,3,4,5 объём воды, соот­ветственно, составляет 12, 8, 4, 0 мл). Раз­мешайте стеклянной палочкой. Теперь объём раствора в стакане равен 20 мл.

•  Масса шестивалентного хрома в стакане равна___мг.

•  Таким образом, 20 мл полученного вами

раствора содержат___мг хрома, тогда 1000 мл

(1 л) этого раствора содержат___мг хрома.

•  Значит, концентрация приготовленного вами эталонного раствора равна____мг/л.

3. Отмерьте цилиндром 10 мл приготовлен­ного раствора, перелейте в пробирку, добавь­те в неё пять капель раствора дифенилкарба­зида, плотно закройте пробкой и встряхните.

По окончании опыта учитель выборочно берёт у учащихся пробирки с растворами и выставляет их на демонстрационном столе рядом с раствором дифенилкарбазида, раз­бавленным 10 мл воды, составляя шкалу эта­лонных растворов.

Учитель. Таким образом, мы получили шесть так называемых эталонных растворов с концентрациями шестивалентного хрома 0; 0.1: 0.2: 0.4: 0.6 и 0.8 мг/л. Как видите, интен­сивность окраски раствора постепенно уве-Л1гчивается с увеличением концентрации рас­творённого хрома.

Теперь мы можем пользоваться получен­ной шкалой для измерения концентрации неизвестных растворов, содержащих шести­валентный хром.

Этап 5

Деловая игра «Экологическая полиция»

Учитель. Вернёмся к нашей проблеме. На слайде (см. рисунок) вы видите схему района загрязнения. Вдоль реки расположены пять предприятий, каждое из которых может быть потенциальным источником сброса соеди­нений хрома со сточными водами. Поиско­вые группы санитарной службы города NN произвели забор проб воды из реки NNN в пяти контрольных точках. Эти пробы перед вами в пяти пронумерованных ёмкостях (на демонстрационном столе — пять больших ёмкостей с заранее приготовленными раст­ворами). И теперь только от вас зависит, смо­жем ли мы определить предприятие-нару­шитель. Группы будут работать как исследо­вательские отделы экологической полиции. Задача каждого отдела — измерить концен­трацию хрома в одной из пяти проб воды. Для этого вам следует отмерить 10 мл пробы, перенести в пробирку, добавить, как и рань­ше, дифенилкарбазид и определить концен­трацию хрома, сравнивая окраску с эталон­ными растворами.

В работе исследуются пять растворов (пробы, «взятые» в пяти контрольных точках реки NNN).

Гальванический

цех

Схема района загрязнения

Первые два образца — чистая вода.

Третий образец готовится из расчёта 50 мл воды на 50 мл стандартного раствора Сг+6 концентрацией 1 мг/л. Концентрация Сг+6 рав­на примерно 0,5 мг/л.

Четвёртый образец: 70 мл воды на 30 мл стандартного раствора Сг+6 концентрацией 1 г/л. Концентрация Сг+6 равна примерно 0,3 мг/л.

Пятый образец: 80 мл воды на 20 мл стан­дартного раствора Сг+6 концентрацией 1 мг/л. Концентрация Сг+6 равна примерно 0,2 мг/л.

Далее учащиеся работают в парах, выпол­няя лабораторный опыт 2 по инструкции. Каждая пара исследует одну из пяти проб. При наличии в классе большого числа учащихся несколько пар могут независимо исследовать одну и ту же пробу.

Лабораторный опыт 2

Определение концентрации Сг+6 в исследуемом растворе

Оборудование и реактивы: измерительный цилиндр, пробирка с пробкой, пипетка, раст­вор серной кислоты (1 : 5), раствор дифенил-карбазида в ацетоне.

Ваша задача — определить концентрацию хрома в пробе воды, взятой в реке в точке №__, рядом с предприятием__________.

1.  Отмерьте измерительным цилиндром ровно 10 мл исследуемого раствора.

2. Перенесите раствор в пробирку.

3. Добавьте в пробирку 4 мл раствора сер­ной кислоты, пять капель раствора дифенил-карбазида, плотно закройте пробкой и встрях­ните.

4. Сравните окраску полученного раствора со шкалой эталонных растворов и сделайте вывод о концентрации хрома.

Подготовьте сообщение, в которое вклю­чите информацию о концентрации хрома и применении хрома на предприятии.

В рабочих листах учащихся имеется та­блица, включающая четыре колонки: номер контрольной точки, концентрация хрома, название предприятия, применение соеди­нений хрома. В четвёртой колонке, где со­держится информация о применении соеди­нений хрома на одном из предприятий, расположенных вдоль берегов реки NNN, у каждой группы заполнена только одна стро­ка — соответствующая конкретному пред­приятию. Например, в рабочих листах груп­пы, исследующей пробу воды из точки № 1, имеются сведения о применении хрома в металлургии и т. д.

Применение хрома

Завод металлоизделий. Хром — важная добавка, улучшающая свойства стали.

Сталь — это сплав железа с углеродом, где содержание углерода не выше 0,3%, осталь­ное — железо.

Если часть железа заменить хромом, то сталь становится устойчивой к окислению. Самая известная из таких сталей — нержавеющая. Ее состав: 18% хрома, 8% никеля, 0,1% углерода, остальное — железо.

Гальванический цех. Хром наносят в ка­честве покрытия на изделия из других метал­лов. Покрытие хромом (хромирование) по­зволяет улучшить внешний вид и уменьшить окисляемость изделия.

Хром наносят гальваническим методом. Хромируемое изделие погружают в ванну с электролитом — хромовой кислотой, из кото­рой под действием электрического тока осаж­дается хром.

Красильная фабрика. В производстве красок широко используют соединения хрома. Трёхвалентный хром (в частности, оксид хро­ма) входит в состав зелёных красок (хромовая зелень), шестивалентный — жёлтых и красных (например, красный крон содержит хромат свинца(И) РЬСЮ4).

Фабрика по выделке кожи. Соединения шестивалентного хрома — дихроматы (напри­мер, К2Сг207) — применяют для дубления ко­жи. Дубление придаёт коже красивый блеск и прочность. Отсюда выражение «хромовые сапоги».

Мебельная фабрика. Пропитка древеси­ны специальным раствором, содержащим хроматы и дихроматы, увеличивает стойкость изделия к действию грибков, насекомых, пла­мени.

По завершении лабораторного опыта 2 каждая пара прикрепляет карточку со значе­нием концентрации хрома на схему района загрязнения (в точках № 1 и 2 — 0, в точке № 3 - 0,5 мг/л, № 4 - 0,3 мг/л, № 5 - 0,2 мг/л), сообщает полученные результаты и расска­зывает о применении хрома на данном пред­приятии. Остальные учащиеся записывают эту информацию в свои рабочие листы. В ре­зультате после отчёта всех групп каждый уча­щийся имеет в своём рабочем листе сжатую информацию о применении хрома на всех пяти предприятиях и о концентрациях хрома во всех пяти точках.

Затем учитель организует эвристическую беседу. Задача — интерпретировать результа­ты измерений.

Сравнивая результаты анализа проб и учи­тывая направление течения реки, учащиеся приходят к выводу, что предприятием-нарушителем является красильная фабрика. Именно напротив неё концентрация раство­рённого в речной воде хрома резко возрас­тает. Школьники без труда объясняют, почему ниже по течению концентрация хрома вновь падает: это связано с постепенным разбавле­нием раствора.

Отметим, что по усмотрению учителя зна­чения концентрации шестивалентного хрома в контрольных пробах могут отличаться от предложенных. Ведь эти растворы учитель готовит сам до урока. Это позволяет много­кратно проводить деловую игру 'Экологиче­ская полиция», варьируя полученные учащи­мися результаты и предприятия, загрязняю­щие воду реки.

Этап 6

Проектная деятельность:

нейтрализация шестивалентного хрома

Учитель. Найти виновника загрязнения реки сточными водами — это не единствен­ная наша задача сегодня. Попробуем решить задачу посложнее: как бороться с загрязнени­ем окружающей среды соединениями шести­валентного хрома? Ведь отходы всех произ­водств города NN включают токсичный ше­стивалентный хром. Есть разные подходы к решению этой проблемы.

Учащиеся возвращаются к исходному де­лению на группы по четыре человека. У каж­дой группы на столе имеется оборудование, которое и подскажет школьникам гипотезу об одном из методов нейтрализации шестива­лентного хрома.

Оборудование для групп

Для группы 1 (уровень готовности низкий): большой пустой стакан, измерительный ци­линдр и большой объём воды (500 мл).

Для группы 2 (уровень готовности продви­нутый): таблица растворимости, раствор аце­тата свинца(П), набор для фильтрования (ко­ническая колба, воронка, стеклянная палочка, фильтровальная бумага).

Для группы 3 (уровень готовности высо­кий): раствор сульфида натрия, карточка с заданием: «Рассчитайте степень окисления серы в данном соединении».

Учащиеся в группах проводят мозговой штурм.

Группа 1 должна прийти к выводу о воз­можности сильного разбавления хромсодержащих отходов перед сбросом в водоём, группа 2 — о возможности осаждения хромат-дихромат-)-ионов и последующего их от­деления фильтрованием, группа 3 — о воз­можности снижения токсичности сточных вод путём восстановления шестивалентного хрома в трёхвалентный.

Убедившись, что каждая группа нашла нужный подход к решению проблемы, учи­тель выдаёт группам инструкции к выполне­нию лабораторного опыта 3. Учащиеся вы­полняют опыт и готовят устный отчёт о про­деланной работе.

Лабораторный опыт 3

Метод разбавления (для группы 1)

Оборудование и реактивы: стандартный раствор Сг+6, раствор дифенилкарбазида в ацетоне, раствор серной кислоты (1 : 5), вода водопроводная (не менее 500 мл), пипетка, цилиндр измерительный, стакан на 100 мл, две пробирки.

Вам выдан стандартный раствор с концен­трацией хрома (Сг*6) 1 мг/л.

1.  Отмерьте измерительным цилиндром 5 мл стандартного раствора и перенесите его в стакан на 100 мл.

2. Рассчитайте объём воды, которую надо добавить в стакан, чтобы концентрация хрома уменьшилась до предельно допустимого уров­ня (0,05 мг/л).

3. Добавьте необходимый объём воды в стакан.

4. Возьмите в две пробирки пробы раство­ров до и после разбавления (объёмом по 10 мл).

5. Добавьте в обе пробирки по 4 мл раст­вора серной кислоты и по пять капель реактива на шестивалентный хром — дифенилкар­базида.

6. Сравните результаты, сделайте выводы. Подготовьте сообщение о своих предложени­ях по снижению токсичности сточных вод и результатах эксперимента.

Метод осаждения (для группы 2)

Оборудование и реактивы: стандартный раствор Сг+6, раствор дифенилкарбазида в ацетоне, раствор ацетата свинца(П), раствор серной кислоты (1 : 5), пипетка, стакан на 25 мл, колба коническая, воронка стеклянная, бумага фильтровальная, палочка стеклянная, две пробирки, таблица растворимости (рас­ширенная).

Вам выдан стандартный раствор с концен­трацией хрома (Сг+6) 1 мг/л.

1. Отмерьте измерительным цилиндром 10 мл стандартного раствора Сг+6.

2.  Добавьте 5 мл раствора ацетата свинца(П).

3.  Соберите прибор для фильтрования и отфильтруйте полученную смесь.

4.  Возьмите в две пробирки пробы стан­дартного раствора и полученного фильтрата (объёмом по 10 мл).

5. Добавьте в обе пробирки по 4 мл раст­вора серной кислоты и по пять капель реакти­ва на шестивалентный хром — дифенилкар­базида.

6. Сравните результаты, сделайте выводы. Подготовьте сообщение о своих предложени­ях по снижению токсичности сточных вод и результатах эксперимента.

7 (для хорошо подготовленных учащихся). Напишите уравнение реакции осаждения дихроматионов в молекулярной и ионной форме.

Метод восстановления (для группы 3)

Оборудование и реактивы: раствор Сг+6 (1 мг/л), раствор дифенилкарбазида в ацето­не, раствор серной кислоты (1 : 5), раствор сульфида натрия, пипетка, измерительный цилиндр, две пробирки с пробкой.

Вам выдан стандартный раствор с концен­трацией хрома (Сг+6) 1 мг/л.

1.  С помощью измерительного цилиндра перенесите в две пробирки по 10 мл стандарт­ного раствора Сг+6.

2. Добавьте в обе пробирки по 4 мл раст­вора серной кислоты.

3.  В одну из пробирок добавьте немного раствора сульфида натрия. О чём свидетель­ствует изменение окраски?

4. Добавьте в обе пробирки по две капли реактива на шестивалентный хром — дифенилкарбазида.

5. Сравните результаты, сделайте выводы. Подготовьте сообщение о своих предложени­ях по снижению токсичности сточных вод и результатах эксперимента.

6 (для подготовленных учащихся). Напиши­те уравнение реакции восстановления хрома Сг+6 в Сг4"3 и подберите коэффициенты мето­дом электронного баланса.

Отчёты учащихся о проделанной работе учитель сопровождает демонстрацией видео­фрагментов, которые воспроизводят дей­ствия учащихся, выполняющих лаборатор­ный опыт 3- Учащиеся комментируют видео­фрагменты.

Школьники заносят в рабочие листы крат­кую информацию о методах нейтрализации токсичного шестивалентного хрома, разра­ботанных своей и другими группами.

При наличии времени учитель организует работу в группах с целью критического ана­лиза всех трёх методов нейтрализации ток­сичного шестивалентного хрома. Учащиеся приходят к выводу, что метод разбавления решает проблему в минимальной степени, так как общее количество хрома, попадаю­щего в водоём, не меняется. При использо­вании методов осаждения и восстановления необходимы дополнительные реактивы, кроме того, возникает проблема утилизации отходов.